双足机器人及多舵机控制.doc-资料库

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一、自由度 1. 机器人自由度分配手臂----3×2 = 6 腿部----5×2 = 10 头部----1×1 = 1 总计自由度 = 17 手臂舵机----金属齿轮腿部舵机----金属齿轮头部舵机----塑料齿轮图为 HGR-3 人形机器人除去胸部件的示意图图中机器人的 17 个自由度，已经用矢量法标出。 2. 机器人自由度编号一般的，我们进行双足机器人研究时总是先从双腿入手，所以将腿部关节自由度定为 1—10。汉库公司机器人出厂自由度设置如下： Z8 17 Z7 注意：机械系统中的自由度编号与电子系统中的编号统一，并能够与机器人操作软件相对应。 P7 P8 P3 P 3 Z4 Z5 Z6 P4 P 4 P5 P 5 P6 P 6 P1 Z1 1PEEDE Z2 Z3 P2 EE

一．舵机 PWM 信号介绍 1．PWM 信号的定义 PWM 信号为脉宽调制信号，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。具体的时间宽窄协议参考下列讲述。我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模型上面了。目前，北京汉库的 HG14-M 舵机可能是这个过渡时期的产物，它采用传统的 PWM 协议，优缺点一目了然。优点是已经产业化，成本低，旋转角度大（目前所生产的都可达到 185 度）；缺点是控制比较复杂，毕竟采用 PWM 格式。但是它是一款数字型的舵机，其对 PWM 信号的要求较低：（1）不用随时接收指令，减少 CPU 的疲劳程度；（2）可以位置自锁、位置跟踪，这方面超越了普通的步进电机；图 1-1 其 PWM 格式注意的几个要点：（1）上升沿最少为 0.5mS，为 0.5mS---2.5mS 之间；（2） HG14-M 数字舵机下降沿时间没要求，目前采用 0.5Ms 就行；也就是说 PWM 波形可以是一个周期 1mS 的标准方波；（3） HG0680 为塑料齿轮模拟舵机，其要求连续供给 PWM 信号；它也可以输入一个周期为 1mS 的标准方波，这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。

2．PWM 信号控制精度制定我们采用的是 8 位 AT89C52CPU，其数据分辨率为 256，那么经过舵机极限参数实验，得到应该将其划分为 250 份。那么 0.5mS---2.5Ms 的宽度为 2mS = 2000uS。 2000uS÷250=8uS 则：PWM 的控制精度为 8us 我们可以以 8uS 为单位递增控制舵机转动与定位。舵机可以转动 185 度，那么 185 度÷250=0.74 度，则：舵机的控制精度为 0.74 度 1 DIV = 8uS ; 250DIV=2mS 时基寄存器内的数值为：（#01H）01 ----（#0FAH）250。共 185 度，分为 250 个位置，每个位置叫 1DIV。则：185÷250 = 0.74 度 / DIV PWM 上升沿函数： 0.5mS + N×DIV 0uS ≤ N×DIV ≤ 2mS 0.5mS ≤ 0.5Ms+N×DIV ≤ 2.5mS 三．单舵机拖动及调速算法 1．舵机为随动机构图 1-2 （1）当其未转到目标位置时，将全速向目标位置转动。（2）当其到达目标位置时，将自动保持该位置。所以对于数字舵机而言，PWM 信号提供的是目标位置，跟踪运动要靠舵机本身。（3）像 HG0680 这样的模拟舵机需要时刻供给 PWM 信号，舵机自己不能锁定目标位置。所以我们的控制系统是一个目标规划系统。

（1）舵机的位置控制方法舵机的转角达到 185 度，由于采用 8 为 CPU 控制，所以控制精度最大为 256 份。目前经过实际测试和规划，分了 250 份。具体划分参见《250 份划分原理》。将 0—185 分为 250 份，每份 0.74 度。控制所需的 PWM 宽度为 0.5ms—2.5ms，宽度 2ms。 2ms÷250=8us；所以得出：PWM 信号 = 1 度/8us； 0.5ms-2.5ms 0.5ms-30ms 舵机角度= 0.74×N PWM = 0.5 + N×DIV；（DIV=8us）角度 N PWM 0 0 0.5ms 45 62 1ms 90 125 1.5ms 135 187 2ms 180 250 2.5ms （2）HG14-M 舵机的运动协议舵机的转动方向为: 逆时针为正转 Φ Φ对应 N 值 N=#00H，Φ=0 度 N=#F5H，Φ=180 度 1 ≤ N ≤ 245 运动时可以外接较大的转动负载，舵机输出扭矩较大，而且抗抖动性很好，电位器的线性度较高，达到极限位置时也不会偏离目标。

四．8 舵机联动单周期 PWM 指令算法 1．控制要求要求同时发给 8 个舵机位置目标值，该指令的执行周期尽量短，目的有 2 个：其一，是为了将来扩充至 24 舵机；其二，目标越快，舵机的转动速度越快；我们以 8 路为 1 组或称 1 个单位，连续发出目标位置，形成连续的目标规划曲线，电机在跟随过程中自然形成了位置与速度的双指标曲线，实现 8 路舵机联动。 2．注意事项从 24 个端口，P0.0、P1.0 到 P2.0，单 DIV 循环的最小时间只有 8us，所以串行运算是不行的，那么就采用并行运算。目前采用的并行算法是 P0.0—P0.7 为一个基本单位，8 位一并。实际案例：P1 口的 8 个位置个不相同；端口 N 寄存器 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 position[0] position[1] position[2] position[3] position[4] position[5] position[6] position[7] 目标位置（度） N 数值（整数） PWM 宽度（ms） 0 0.74 45 50 60 90 135 180 0 1 62.5 67.6 81.1 125 187.5 250 0.500 0.508 1.000 1.041 1.148 1.500 2.000 2.500 注意：N 为整数，依照上表看出，由于整数原因，定位不能实现的有 45 度、60 度等。时间 T T 为一个周期，分为 2 部分 1． PWM 宽 2．延时等待 Tw PWM

3．8 路 PWM 信号发生算法解析我们预计将整个周期控制在 3.5-5ms 内；由上图得知：P1 口的 8 个端在不同时间产生下降沿。那么由上例如：我们的 P1.5 口，他的 N 为 125 那么就需要它在 125 个 DIV 后产生下降沿，时间为（125*8us=1000us）。我们在其中发现 2 个关键参数：①时间参数 N=125 逻辑参数的定义：如下，采用&指令，操作 P1 口。 ②逻辑参数 P1.5=#0DFH P1.7 1 P1.6 1 P1.5 1 P1.4 1 P1.3 1 P1.2 1 P1.1 1 P1.0 备注 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 P1.0= # FEH P1.1= # FDH P1.2= # FBH P1.3= # F7H P1.4= # EFH 例如：将 P1.5 口产生下降沿，就将# 0DFH 去“&” P1 口。逻辑“&”指令，冯“0”得“0”，不影响其他位。具体的程序操作如下： ① 开 3.5ms 定时中断 ② 取出 8 个端（P1.0-P1.7）的位置值，也就是 8 个 N 值；并赋予相应的端逻辑参数； ③ 将这 8 个值由大到小排列，相应端的逻辑参数值也随着 N 的顺序排列，一一对应； ④ 将 N 值做减法，求得： M1=N1 M2=N2-N1 M3=N3-N2 M4=N4-N3 M5=N5-N4 M6=N6-N5 M7=N7-N6 M8=N8-N7 ⑤ 取出 M1，延时 M1*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M2，延时 M2*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M3，延时 M3*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M4，延时 M4*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M5，延时 M5*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M6，延时 M6*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M7，延时 M7*DIV，& 相应的逻辑参数；取出 M8，延时 M8*DIV，& 相应的逻辑参数；

⑥ 8 个端的下降沿全部产生完毕，等待一定的 Tw 值，或等待 3.5ms 中断的到来； ⑦ 中断到来后，清理中断标志，然后结束该程序。注意事项：当进行逐个排序延时的过程中，CPU 要取出 M1、M2、M3….M8，那么会有 1 个取数指令周期，当 CPU 采用 12MHz 时为 1us。最终应该在第 8 个延时，即 M8 时扣除掉，具体指令参见指令集。 4．N 排序子程序 RAM 的制定入口处端口 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 N 值寄存器地址 position[0] position[1] position[2] position[3] position[4] position[5] position[6] position[7] &逻辑数寄存器地址 kouchu[0] kouchu[1] kouchu[2] kouchu[3] kouchu[4] kouchu[5] kouchu[6] kouchu[7] &逻辑数值 #FEH #FDH #FBH #F7H #EFH #DFH #BFH #7FH 备注：position[7]寄存器内存放的是 P1.7 端口的 N 值；kouchu[7]寄存器内存放的是 P1.7 端口的&逻辑参数值；出口处从左到右为 N 值从大到小排列（大 > N 值 > 小）未知未知 N 值寄存器地址 &逻辑数寄存器地址 &逻辑数值 paixu_ncha[0] paixu_ncha[1] paixu_ncha[2] paixu_ncha[3] paixu_ncha[4] paixu_ncha[5] paixu_ncha[6] paixu_ncha[7] kouchu[0] kouchu[1] kouchu[2] kouchu[3] kouchu[4] kouchu[5] kouchu[6] kouchu[7] 未知未知未知未知未知未知所谓的“未知”：由于排列按照大到小顺序，“未知”内存放的为端口信息要根据排序做相应的调整。备注：paixu_ncha[0]内存放的是某位的 N 值，其值最大； paixu_ncha[7]内存放的是某位的 N 值，其值最小； kouchu[0]—kouchu[7]内存放数，可以根据其数值判断出是具体那个端口的下降沿。例如：其值为“0xFB”那么它就是 P1.2；

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